АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ Российский патент 2023 года по МПК H02K17/28 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к производству асинхронных электромеханических преобразователей энергии, и предназначено для использования в асинхронном электроприводе производственных машин и механизмов различного назначения.

Известна конструкция трехфазного асинхронного электромеханического преобразователя энергии [1].

Асинхронный электромеханический преобразователь энергии содержит неподвижный статор, шихтованный магнитопровод которого имеет форму полого цилиндра с пазами на внутренней поверхности, в которых размещена трехфазная сетевая обмотка, и цилиндрический ротор, установленный внутри статора с равномерным воздушным зазором, поддерживаемым посредством подшипниковых щитов, закрепленных по торцам статора.

При работе асинхронного электромеханического преобразователя энергии по трехфазной сетевой обмотке статора проходят намагничивающие токи, возбуждающие в зазоре между статором и ротором вращающееся магнитное поле, обуславливающее токи в обмотке ротора и момент на его валу. Намагничивающие токи загружают обмотки статора генераторов электрических станций, токоведущие элементы электрооборудования систем внешнего и внутреннего электроснабжения, непосредственно сетевые обмотки статора асинхронных электромеханических преобразователей энергии. Загрузка генераторов, электрооборудования систем внешнего и внутреннего электроснабжения, асинхронных электромеханических преобразователей энергии намагничивающими токами обуславливает необходимость увеличения сечения токоведущих элементов, что приводит к увеличению массогабаритных и стоимостных показателей электрооборудования

Влияние намагничивающих токов на работу непосредственно асинхронных электромеханических преобразователей энергии оценивается коэффициентом мощности, номинальные значения которого зависят, в частности, от количества пар полюсов трехфазной обмотки статора, которое определяет синхронную частоту вращения ротора. С увеличением числа пар полюсов обмотки статора и уменьшением синхронной частоты вращения ротора численные значения коэффициента мощности снижаются. Так, в асинхронных электромеханических преобразователях с синхронной частотой вращения ротора 3000, 1500, 1000 мин^-1 коэффициент мощности при номинальной нагрузке составляет 0,84 − 0,92, а при синхронной частоте 375 мин^-1 – 0,46.

Известны технические решения, направленные на уменьшение намагничивающих токов генераторов электрических станций и токоведущих элементов систем внешнего и внутреннего электроснабжения предприятий [2].

Наиболее распространенными техническими решениями являются: применение синхронных компенсаторов, перевозбуждение синхронных двигателей, использование батарей статических конденсаторов.

Общим недостатком перечисленных технических решений, направленных на уменьшение намагничивающих токов генераторов электрических станций и электрооборудования систем внешнего и внутреннего электроснабжения предприятий, является то, что компенсация намагничивающих токов осуществляется непосредственно в генераторах и на участках электрических сетей от места установки генераторов электрических станций до места установки средств компенсации. Непосредственно в сетевых обмотках статора асинхронных электромеханических преобразователей энергии и на участках электрических сетей от места установки асинхронных электромеханических преобразователей энергии до места установки средств компенсации, значительных, как правило, по протяженности, компенсация намагничивающих токов не осуществляется. Кроме того, компенсация намагничивающих токов и, связанной с ними, реактивной мощности, обусловленная применением отмеченных технических решений, связана с затратами на приобретение средств компенсации и их эксплуатацию.

Наиболее близким, по технической сущности к заявляемому изобретению, является асинхронный электромеханический преобразователь энергии с внутренней компенсацией намагничивающего тока и реактивной мощности [3].

Асинхронный электромеханический преобразователь энергии содержит неподвижный статор, шихтованный магнитопровод которого имеет форму полого цилиндра с пазами на внутренней поверхности, и цилиндрический ротор, установленный внутри статора с равномерным воздушным зазором, поддерживаемым посредством подшипниковых щитов, закрепленных по торцам статора. В пазах магнитопровода статора размещены секции провода, например медного, из которых образованы две, изолированные друг от друга, обмотки: сетевая и компенсационная. Сетевая обмотка является трехфазной, оси ее фаз смещены в пространстве на 120^°, обмотки фаз соединены по схеме «звезда», начала фаз подключены к питающей электрической сети трехфазного переменного напряжения. Компенсационная обмотка выполнена в виде совокупности 3-х катушек, каждая из которых образована последовательным соединением одинакового числа секций, выполненных, например, медным проводом. Шаг секций компенсационной обмотки и расположение секций по пазам магнитопровода аналогичны шагу секций и расположению по пазам магнитопровода секций сетевой трехфазной обмотки. Реализация данных условий обеспечивает пространственный угол сдвига осей катушек компенсационной обмотки в 120^° , как у сетевой трехфазной обмотки. Катушки компенсационной обмотки соединены между собой последовательно, к их двум выводам подключен конденсатор.

Недостатком трехфазного компенсированного асинхронного электромеханического преобразователя энергии, выбранного в качестве прототипа, является то, что в нем не обеспечивается полная компенсация намагничивающего тока в трехфазной сетевой обмотке асинхронного электромеханического преобразователя. Поэтому обмотки генераторов электрических станций и электрооборудование систем внешнего и внутреннего электроснабжения остаются загруженными намагничивающими токами, что приводит к необходимости увеличения массогабаритных и стоимостных показателей электрического оборудования. Одной из причин неполной компенсации намагничивающих токов в трехфазной сетевой обмотке является то, что при последовательном соединении катушек компенсационной обмотки и включении в ее цепь одного конденсатора, магнитное поле тока компенсационной обмотки по своей структуре отличается от кругового. Вторая причина неполной компенсации намагничивающих токов в трехфазной сетевой обмотке электромеханического преобразователя заключается в отсутствии данных о количестве витков в катушках компенсационной обмотки и зависимости числа витков в катушках компенсационной обмотки от емкости конденсаторов и паспортных данных электромеханического преобразователя энергии.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является полная компенсация намагничивающих токов в трехфазной сетевой обмотке асинхронных электромеханических преобразователей, снижение токовой нагрузки генераторов электрических станций и электрооборудования систем внешнего и внутреннего электроснабжения, уменьшение массогабаритных и стоимостных показателей электрооборудования.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном асинхронном электромеханическом преобразователе энергии, содержащем неподвижный статор, шихтованный магнитопровод которого имеет форму полого цилиндра с пазами на внутренней поверхности, в которых размещены трехфазная симметричная сетевая обмотка и три дополнительные катушки, цилиндрический ротор, установленный внутри статора с равномерным воздушным зазором, поддерживаемым посредством подшипниковых щитов, закрепленных по торцам статора, и конденсатор, включенный в цепь дополнительных катушек, при этом оси фаз сетевой обмотки и оси дополнительных катушек совмещены в пространстве, концы фаз сетевой обмотки соединены между собой в нейтральной точке, начала фаз сетевой обмотки подключены к питающей электрической сети трехфазного переменного напряжения, согласно изобретению из трех катушек компенсационной обмотки образована, посредством соединения концов катушек в общую точку, трехфазная симметричная компенсационная обмотка, число конденсаторов в цепи компенсационной обмотки увеличено до 3-х, конденсаторы имеют одинаковую, стандартной величины, емкость, включены по схеме «треугольник», вершины треугольника емкостей подключены к началам катушек компенсационной обмотки, а количество витков в фазах компенсационной обмотки рассчитано по формуле:

где w_к – число витков в фазе компенсационной обмотки;

w_c − число витков в фазе сетевой обмотки, w_c = s_П∙z₁/6a, s_П – число эффективных проводников в пазу, z₁ – количество пазов статора, a – число параллельных ветвей сетевой обмотки статора;

P, U, η, – номинальные значения активной мощности, линейного напряжения и энергетических показателей асинхронного электромеханического преобразователя энергии;

f − частота питающего напряжения;

С – емкость луча эквивалентной звезды емкостных сопротивлений.

Формула для расчета количества витков фаз компенсационной обмотки, предложенная в изобретении, получена из условия равенства магнитодвижущей силы сетевой трехфазной обмотки и магнитодвижущей силы трехфазной компенсационной обмотки асинхронного электромеханического преобразователя энергии. Выполнение данного равенства обеспечивает полную компенсацию намагничивающего тока трехфазной сетевой обмотки, способствует снижению загрузки обмоток генераторов электрических станций, электрооборудования систем внешнего и внутреннего электроснабжения, уменьшению их массогабаритных и стоимостных показателей. Асинхронные преобразователи энергии осуществляют при этом свою работу с коэффициентом мощности, равным единице. При использовании формулы для расчета количества витков в фазах компенсационной обмотки величину емкости конденсаторов целесообразно принимать равной одному из стандартных значений. Если же принять к установке конденсаторы с нестандартной величиной емкости, то это потребует необходимости последовательно-параллельного включения ряда конденсаторов стандартной величины емкости, что усложняет конструкцию преобразователя и снижает надежность его работы. Использование в формуле для расчета числа витков фаз компенсационной обмотки паспортных и каталожных данных асинхронных электромеханических преобразователей позволяет определить условия полной компенсации намагничивающих токов и реактивной мощности различных типоразмеров асинхронных преобразователей энергии.

На фиг.1 представлен в упрощенном виде асинхронный трехфазный компенсированный преобразователь энергии;

на фиг.2 показана схема подключения сетевой и компенсационной обмоток статора асинхронного компенсированного преобразователя энергии;

на фиг.3 приведена зависимость числа витков фазы компенсационной обмотки от емкости конденсатора опытного образца асинхронного компенсированного преобразователя энергии, созданного на базе серийного двигателя 4А80А4УЗ;

на фиг.4 – зависимость коэффициента мощности опытного образца асинхронного компенсированного преобразователя энергии от скольжения.

Асинхронный трехфазный компенсированный преобразователь энергии состоит из статора 1 и ротора 2, отделенных друг от друга воздушным зазором 3 (фиг.1). На поверхности статора 1, обращенной к воздушному зазору 3, выполнены пазы 4, в которых размещены секции сетевой 5 и компенсационной 6 обмоток. Сетевая обмотка 5 и компенсационная обмотка 6 являются трехфазными, симметричными. Сетевая обмотка 5 образована фазами А_C-Х_C, В_C-Y_C, С_C-Z_C (фиг.1,2), которые соединены по схеме «звезда» (фиг.2). Для этого концы обмоток фаз Х_C, Y_C, Z_C соединены друг с другом, образуя нейтраль сетевой обмотки. Начала фаз сетевой обмотки А_C, В_C, С_C подключены к проводам питающей электрической сети трехфазного переменного напряжения (фиг.2). Компенсационная обмотка 6 образована фазами А_К-Х_К, В_К-Y_К, С_К-Z_К (фиг.1,2), соединенными по схеме «звезда». Для этого концы обмоток фаз Х_К, Y_К, Z_К соединены друг с другом в общую точку, образующую нейтраль компенсационной обмотки. К началам фаз А_К, В_К, С_К компенсационной обмотки 6 подключены конденсаторы 7, соединенные по схеме «треугольник» (фиг.2).

Асинхронный электромеханический преобразователь энергии, работает следующим образом.

В трехфазной симметричной компенсационной обмотке 6 вращающимся магнитным полем, созданным намагничивающими токами трехфазной сетевой обмотки 5, наводится симметричная трехфазная система электродвижущих сил (ЭДС). При подключении к началам фаз компенсационной обмотки симметричной емкостной нагрузки в виде трех конденсаторов с одинаковой величиной емкости, соединенных в «треугольник», образуется трехфазная симметричная система токов, являющихся преимущественно намагничивающими. Эта симметричная система намагничивающих токов компенсационной обмотки возбуждает вращающееся магнитное поле, которое накладывается на вращающееся магнитное поле сетевой трехфазной обмотки, усиливая его. В итоге в воздушном зазоре 3 между статором 1 и ротором 2 образуется результирующее магнитное поле, величина которого определяется действующим значением напряжения на фазах сетевой трехфазной обмотки 5. Так как действующее значение напряжения в питающей электрической сети можно принять постоянным по величине, то создание токами компенсационной обмотки вращающегося магнитного поля приводит к уменьшению магнитного поля сетевой обмотки 5, следовательно, к уменьшению намагничивающих токов сетевой обмотки 5.

Зависимость W_к(С) (фиг.3) получена для серийного трехфазного асинхронного двигателя типа 4А80А4УЗ, имеющего следующие данные: номинальная мощность P=1,1 кВт, номинальное напряжение U=380В, номинальное значение коэффициента полезного действия η=0,75, номинальное значение коэффициента мощности , число эффективных проводников в пазу статора s_П=60, число пазов статора z₁=36, число параллельных ветвей обмотки статора а=1. Количество витков в фазах компенсационной обмотки рассчитано для ряда стандартных значений емкости конденсаторов: 50, 100, 150,…, 500мкФ. Зависимость W_к(С) (фиг.3) показывает, что с ростом емкости конденсаторов число витков в фазах компенсационной обмотки, при котором обеспечивается компенсация намагничивающего тока в сетевой обмотке, уменьшается. Коэффициент мощности компенсированного трехфазного асинхронного электромеханического преобразователя в рабочем режиме работы (фиг.4) практически не зависит от скольжения и остается на уровне, равным или близком единице. Преобразователь не потребляет из питающей электрической сети реактивную мощность, что приводит к уменьшению потерь мощности и напряжения в генераторах электрических станций, электрооборудовании систем внешнего и внутреннего электроснабжения и позволяет уменьшить сечение токоведущих элементов электрооборудования, снизить его габариты и стоимость.

Использование изобретения позволяет наладить производство трехфазных асинхронных электромеханических преобразователей энергии, коэффициент мощности которых равен или близок единице, как в рабочих режимах, так и в режиме холостого хода. При этом достигается существенное снижение токовой нагрузки генераторов электрических станций, электрооборудования систем внешнего и внутреннего электроснабжения, что непосредственно отражается на уменьшении потерь мощности и напряжения в токоведущих элементах электрооборудования систем внешнего и внутреннего электроснабжения, способствует уменьшению его габаритов и стоимости. Положительный эффект от внедрения изобретения становится особо значимым в электромеханических преобразователях энергии и электромагнитных аппаратах переменного тока, в конструкции которых между статором и ротором предусматриваются немагнитные зазоры большой величины. В качестве примера таких преобразователей следует отметить магнитогидродинамические насосы для перекачки жидких металлов в атомной, металлургической и химической промышленности. Значительный положительный эффект от использования изобретения следует ожидать также при серийном производстве и внедрении трехфазных компенсированных асинхронных преобразователей энергии с частотой вращения магнитного поля 150-300 мин^-1. Острая необходимость в таких преобразователях ощущается в нефтяной и машиностроительной отраслях.

Источники информации

1. Ю.М.Борисов, Д.Н.Липатов. Общая электротехника. Учеб. пособие для вузов. М. − «Высшая школа». – 1974. − с. 340-343. − рис. 10.1, 10.2, 10.3, 10.5.

2. Б.А. Константинов, Г.З. Зайцев. Компенсация реактивной мощности. Л. – «Энергия». – 1976. – 103с.

3. Патент № 2112307 RU, МКИ 6H02 К17/28. Асинхронная компенсированная электрическая машина /Савицкий А.Л., Мугалимов Р.Г., Савицкая Л.Д.// Открытия. Изобретения. − 1998. − №15.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в повышении степени компенсации намагничивающих токов. Асинхронный электромеханический преобразователь энергии содержит неподвижный статор, шихтованный магнитопровод которого имеет форму полого цилиндра с пазами на внутренней поверхности, в которых размещены трехфазная симметричная сетевая обмотка и три дополнительные катушки, цилиндрический ротор, установленный внутри статора, и три конденсатора, включенные в цепь дополнительных катушек. Оси фаз сетевой обмотки и оси дополнительных катушек совмещены в пространстве, концы фаз сетевой обмотки соединены между собой в нейтральной точке, а начала подключены к питающей электрической сети трехфазного напряжения, при этом из дополнительных катушек посредством соединения концов катушек в общую нейтральную точку образована трехфазная симметричная компенсационная обмотка. Конденсаторы в цепи компенсационной обмотки имеют емкости одинаковой величины, включены по схеме «треугольник», вершины которого подключены к началам дополнительных катушек компенсационной обмотки. Количество витков в дополнительных катушках компенсационной обмотки находится с эквивалентной емкостью конденсаторов и числом витков сетевой обмотки в следующем соотношении:

, где w_k – число витков в фазе компенсационной обмотки; w_c − число витков в фазе сетевой обмотки, w_c = s_П⋅z₁/6a, s_П – число эффективных проводников в пазу, z₁ – количество пазов статора, a – число параллельных ветвей сетевой обмотки статора; P, U, η, – номинальные значения активной мощности, линейного напряжения и энергетических показателей асинхронного электромеханического преобразователя энергии; f − частота питающего напряжения; С – емкость луча эквивалентной звезды емкостных сопротивлений. 4 ил.

Асинхронный электромеханический преобразователь энергии, содержащий неподвижный статор, шихтованный магнитопровод которого имеет форму полого цилиндра с пазами на внутренней поверхности, в которых размещены трехфазная симметричная сетевая обмотка и три дополнительные катушки, цилиндрический ротор, установленный внутри статора с равномерным воздушным зазором, поддерживаемым посредством подшипниковых щитов, закрепленных по торцам статора, и конденсатор, включенный в цепь дополнительных катушек, при этом оси фаз сетевой обмотки и оси дополнительных катушек совмещены в пространстве, концы фаз сетевой обмотки соединены между собой в нейтральной точке, начала фаз сетевой обмотки подключены к питающей электрической сети трехфазного переменного напряжения, отличающийся тем, что из трех дополнительных катушек посредством соединения концов катушек в общую нейтральную точку образована трехфазная симметричная компенсационная обмотка, число конденсаторов в цепи компенсационной обмотки увеличено до 3-х, конденсаторы имеют емкости одинаковой величины, включены по схеме «треугольник», вершины треугольника емкостей подключены к началам дополнительных катушек компенсационной обмотки, а количество витков в дополнительных катушках компенсационной обмотки рассчитано по формуле

,

где w_k - число витков в фазе компенсационной обмотки;

w_c - число витков в фазе сетевой обмотки, w_c = s_П⋅z₁/6a, s_П - число эффективных проводников в пазу, z₁ - количество пазов статора, a - число параллельных ветвей сетевой обмотки статора;

P, U, η, - номинальные значения активной мощности, линейного напряжения и энергетических показателей асинхронного электромеханического преобразователя энергии;

f - частота питающего напряжения;

С - емкость луча эквивалентной звезды емкостных сопротивлений.